KR20200089463A - High efficiency carbon dioxide power system and its start-up method - Google Patents

High efficiency carbon dioxide power system and its start-up method Download PDF

Info

Publication number
KR20200089463A
KR20200089463A KR1020190006200A KR20190006200A KR20200089463A KR 20200089463 A KR20200089463 A KR 20200089463A KR 1020190006200 A KR1020190006200 A KR 1020190006200A KR 20190006200 A KR20190006200 A KR 20190006200A KR 20200089463 A KR20200089463 A KR 20200089463A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon dioxide
compressor
state
supercritical
power generation
Prior art date
Application number
KR1020190006200A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102172229B1 (en
Inventor
김범주
류광년
이준호
이철희
함진기
Original Assignee
한국전력공사
한국조선해양 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사, 한국조선해양 주식회사 filed Critical 한국전력공사
Priority to KR1020190006200A priority Critical patent/KR102172229B1/en
Publication of KR20200089463A publication Critical patent/KR20200089463A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102172229B1 publication Critical patent/KR102172229B1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103Carbon dioxide
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10Final actuators
    • F01D17/12Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/141Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path
    • F01D17/145Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of shiftable members or valves obturating part of the flow path by means of valves, e.g. for steam turbines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/165Controlling means specially adapted therefor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/32Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines using steam of critical or overcritical pressure

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

The present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system and a start-up method thereof and to a carbon dioxide power generation system, repeating processes of compression, heating, expansion and cooling while carbon dioxide passes through a compressor (110), a recuperator (120), a first heater (130), a turbine (140), the recuperator (120) and a cooler (150), which performs: a first step of determining whether an entrance state of the compressor is in a gas state and if the entrance state of the compressor is in the gas state as a result of the determination, driving the compressor in order to prevent an entrance operation point of the compressor from going into a vapor dome; and a second step of, if the entrance state of the compressor is not in the gas state, setting the entrance state of the compressor in a liquid state (1) on a T-S diagram and then driving the compressor. The present invention prevents the entrance operation point of the compressor from going into the vapor dome when the compressor starts up to prevent damage to the compressor and also to enhance efficiency of a carbon dioxide power generation cycle.

Description

초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법{HIGH EFFICIENCY CARBON DIOXIDE POWER SYSTEM AND ITS START-UP METHOD}Supercritical carbon dioxide power generation system and its starting method{HIGH EFFICIENCY CARBON DIOXIDE POWER SYSTEM AND ITS START-UP METHOD}

본 발명은 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초임계 이산화탄소 발전사이클의 효율을 높일 수 있는 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a supercritical carbon dioxide power generation system and a method for starting the same, and more particularly, to a supercritical carbon dioxide power generation system capable of increasing the efficiency of the supercritical carbon dioxide power generation cycle and a method for starting the same.

도 1의 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 T-S 선도에서 증기돔(Vapor dome) 상단에 위치한다. 포화 액선과 포화 증기선이 만나는 꼭지점이 임계점(Critical point)이며, 포화 액선과 포화 증기선으로 둘러싸인 산 같은 영역을 증기돔이라 한다. 증기돔 상단의 왼쪽이 액체 영역(압축 액체)(Liquid region)이 되고 오른쪽이 기체 영역(과열 증기)(Vapor region)이 되며 증기돔 안의 영역은 액체와 증기가 공존하는 2상 영역을 이루게 된다.The supercritical carbon dioxide power generation system of FIG. 1 is located on the top of a vapor dome in the T-S diagram. The vertex where the saturated liquid line meets the saturated vapor line is a critical point, and an acid-like area surrounded by the saturated liquid line and the saturated steam line is called a steam dome. At the top of the steam dome, the left side becomes the liquid region (compressed liquid) (Liquid region), and the right side becomes the gas region (superheated steam) (Vapor region), and the region inside the steam dome forms a two-phase region where liquid and vapor coexist.

일반적으로 브레이턴 사이클(Brayton cycle)의 형태를 취하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클은 압축(1→2), 가열(2→3→4), 팽창(4→5), 냉각(5→6→1)의 과정을 반복하는데, 이 모든 과정이 이산화탄소의 임계점(30.978℃, 7.3733MPa) 위에서 이루어지게 된다. The supercritical carbon dioxide generation cycle, which generally takes the form of a Brayton cycle, is compressed (1→2), heated (2→3→4), expanded (4→5), cooled (5→6→1) The process is repeated, all of which is done above the critical point of carbon dioxide (30.978℃, 7.3733MPa).

도 1의 초임계 이산화탄소 사이클은 액체상의 이산화탄소가 압축되면서 초임계상으로 변화하지만 액체상에서 기체상으로의 변화에 비해 밀도 변화가 작으므로 압축기에 가해지는 충격이 작아 안정적인 운전이 가능하다. 그러나 압축기의 시동시에는 온도, 압력이 충분히 높지 않아 운전점이 증기돔 안으로 진입하게 될 가능성이 있다. 압축기의 운전점이 증기돔 안으로 진입하게 되면 기체와 액체가 혼재하여 밀도 변화가 커지고 압축기에 가해지는 충격이 커져 압축기 손상을 유발할 수 있다.The supercritical carbon dioxide cycle of FIG. 1 changes from the liquid phase to the supercritical phase as the carbon dioxide is compressed, but the density change is smaller than the change from the liquid phase to the gas phase, so that the impact on the compressor is small and stable operation is possible. However, when starting the compressor, the temperature and pressure are not high enough, so there is a possibility that the operating point will enter the steam dome. When the operating point of the compressor enters into the steam dome, gas and liquid are mixed to increase the density change and the impact on the compressor increases, which can cause damage to the compressor.

본 발명의 목적은 초임계 이산화탄소 발전사이클의 효율을 높일 수 있도록 압축기를 사용하고, 압축기 손상을 방지하기 위해 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하도록 한 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to use a compressor to increase the efficiency of the supercritical carbon dioxide power generation cycle, and to prevent damage to the compressor, a supercritical carbon dioxide power generation system and a starting method for preventing the compressor inlet from entering the steam dome are prevented. Is to provide.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 T-S 선도의 운전점 1'의 액체 이산화탄소를 압축하여 초임계 상태(2')가 되게 하는 압축기와 상기 압축기에서 압축된 이산화탄소를 열교환을 통해 가열하는 복열기와 상기 복열기에서 가열된 이산화탄소를 가열하는 제1 가열기와 상기 제1 가열기에서 가열된 이산화탄소가 유입되고 팽창하여 동력을 생산하는 터빈과 상기 터빈에서 배출되고 상기 복열기를 거쳐 유입되는 이산화탄소를 냉각하여 상기 1'의 액체 이산화탄소가 되게 하는 냉각기를 포함한다.According to the features of the present invention for achieving the above object, the present invention compresses the liquid carbon dioxide at the operating point 1'of the TS diagram to become a supercritical state (2') and the compressed carbon dioxide in the compressor A recuperator heating through heat exchange and a first heater heating carbon dioxide heated in the recuperator and carbon dioxide heated in the first heater flows in and expands to produce power by being discharged from the turbine and the turbine, and the recuperator It includes a cooler to cool the incoming carbon dioxide to become the 1'liquid carbon dioxide.

상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로의 재순환을 제어하기 위한 제1 밸브와 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로의 공급을 제어하기 위한 제2 밸브를 포함하며, 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브는 상기 압축기 입구 상태에 따라 개방이 제어되어 상기 압축기 입구 압력을 제어한다.And a first valve for controlling recirculation of carbon dioxide from the compressor to the cooler and a second valve for controlling supply of carbon dioxide from the compressor to the recuperator, wherein the first valve and the second valve are Opening is controlled according to the compressor inlet state to control the compressor inlet pressure.

상기 냉각기를 통과한 이산화탄소를 상기 압축기로 공급하기 전, 상기 이산화탄소를 가열하는 제2 가열기와 상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소를 상기 압축기로의 유입 또는 상기 제2 가열기로의 유입을 제어하기 위한 체크밸브를 포함한다.Before supplying the carbon dioxide that has passed through the cooler to the compressor, a check valve for controlling the inflow of the second heater heating the carbon dioxide and the carbon dioxide discharged from the cooler into the compressor or into the second heater is provided. Includes.

상기 압축기의 이산화탄소를 벤트시켜 감압시키기 위한 벤트부를 포함한다.It includes a vent portion for reducing the pressure by venting the carbon dioxide of the compressor.

상기 벤트부에서 벤트시킨 이산화탄소가 저장되거나, 상기 순환배관에 이산화탄소를 주입하기 위한 이산화탄소가 저장되는 인벤토리 탱크를 포함할 수 있다.Carbon dioxide vented by the vent unit may be stored, or may include an inventory tank in which carbon dioxide for injecting carbon dioxide into the circulation pipe is stored.

압축기, 복열기, 제1 가열기, 터빈, 복열기 및 냉각기를 통과하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각의 과정을 반복하는 이산화탄소 발전시스템에서, 압축기 시동시 상기 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하도록 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태인지를 판단하고, 판단 결과, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태이면 상기 압축기를 구동하는 1 단계를 수행하고, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태가 아니면 상기 압축기 입구 상태를 T-S 선도에서 액체 상태(1)로 만든 후 압축기를 구동하는 2 단계를 수행한다.In a carbon dioxide power generation system that repeats the process of compression, heating, expansion, and cooling while passing through a compressor, a recuperator, a first heater, a turbine, a recuperator, and a cooler, preventing the compressor inlet operating point from entering the steam dome when the compressor starts To determine whether the inlet state of the compressor is in a gas state, and as a result of determination, if the compressor inlet state is a gas state, perform step 1 of driving the compressor. If the inlet state of the compressor is not a gas state, the compressor inlet state is TS. After making the liquid state (1) in the diagram, two steps of driving the compressor are performed.

상기 1 단계는 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로 공급하기 위한 제2 밸브는 닫고, 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로 재순환시키기 위한 제1 밸브를 개방한 상태에서 상기 압축기를 구동하며, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)가 되도록 상기 냉각기를 제어한다.In the first step, the second valve for supplying the carbon dioxide of the compressor to the recuperator is closed, the compressor is driven while the first valve for recycling carbon dioxide of the compressor to the cooler is opened, and the compressor inlet The cooler is controlled such that the state is from a gaseous state (2) to a supercritical state (3).

상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면, 상기 제2 밸브를 개방하고 상기 제1 밸브는 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어하며, 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 상기 압축기에서 배출되는 이산화탄소를 복열기와 제1 가열기를 통해 가열하고 터빈에 공급한다.When the compressor inlet state reaches the supercritical state (3), the second valve is opened and the first valve is closed while venting or injecting carbon dioxide so that the compressor inlet state is a gaseous state in the supercritical state (3). (4) is controlled, and the carbon dioxide discharged from the compressor is heated by the recuperator and the first heater in the process of the compressor inlet state being from the supercritical state (3) to the gas state (4) and supplied to the turbine. .

상기 2 단계는 상기 압축기의 이산화탄소를 벤트시켜 상기 압축기 입구 상태를 액체 상태(1)로 만든다. The second step vents the carbon dioxide of the compressor to make the compressor inlet state into a liquid state (1).

상기 제2 단계는 상기 압축기 입구 상태를 액체 상태(1)로 만들면, 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로 공급하기 위한 제2 밸브는 닫고, 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로 재순환시키기 위한 제1 밸브를 개방하고, 상기 압축기를 구동하며, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)로 되도록 상기 냉각기를 제어하고 이산화탄소를 상기 이산화탄소 발전시스템에 주입한다.In the second step, when the compressor inlet state is made into a liquid state (1), a second valve for supplying carbon dioxide of the compressor to the recuperator is closed, and a first valve for recycling carbon dioxide of the compressor to the cooler To open, drive the compressor, control the cooler such that the compressor inlet state is from a gas state (2) to a supercritical state (3), and inject carbon dioxide into the carbon dioxide power generation system.

상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면, 상기 제2 밸브를 개방하고 상기 제1 밸브는 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어하며, 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 상기 압축기에서 배출되는 이산화탄소를 복열기와 제1 가열기를 통해 가열하고 터빈에 공급한다.When the compressor inlet state reaches the supercritical state (3), the second valve is opened and the first valve is closed while venting or injecting carbon dioxide so that the compressor inlet state is a gaseous state in the supercritical state (3). (4) is controlled, and the carbon dioxide discharged from the compressor is heated by the recuperator and the first heater in the process of the compressor inlet state being from the supercritical state (3) to the gas state (4) and supplied to the turbine. .

압축기, 복열기, 제1 가열기, 터빈, 복열기 및 냉각기를 통과하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각의 과정을 반복하는 이산화탄소 발전시스템에서, 상기 압축기 시동시 또는 상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소를 상기 압축기로 공급하기 전 제2 가열기에서 이산화탄소를 가열하여 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2) 또는 초임계 상태(3)가 되도록 한다.In a carbon dioxide power generation system that repeats the process of compression, heating, expansion, and cooling while passing through a compressor, a recuperator, a first heater, a turbine, a recuperator, and a cooler, carbon dioxide discharged at the start of the compressor or from the cooler to the compressor Carbon dioxide is heated in a second heater before supplying such that the compressor inlet state is in a gaseous state (2) or a supercritical state (3).

상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소가 상기 압축기로 바로 유입되는 것을 체크밸브가 차단하여, 상기 압축기 시동시 또는 상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소가 상기 제2 가열기를 거쳐 상기 압축기로 유입되도록 한다.The check valve shuts off the carbon dioxide discharged from the cooler directly into the compressor, so that the carbon dioxide discharged from the cooler is started or when the compressor starts to flow into the compressor.

본 발명은 압축기를 사용하고 운전점이 증기돔 안을 지나지 않도록 압축기 입구 운전점을 임계점 이하 1'로 낮추어 액상으로 만들고, 이산화탄소 발전 사이클을 T-S 선도에서 1'-2'-3-4-5-6-1'가 반복되도록 운전하여 사이클의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.The present invention uses a compressor and lowers the compressor inlet operating point to 1'below the critical point so that the operating point does not pass through the steam dome to make it liquid, and the carbon dioxide generation cycle is 1'-2'-3-4-5-6- in the TS diagram. There is an effect to increase the efficiency of the cycle by driving so that 1'is repeated.

또한, 본 발명은 압축기 시동시에는 시스템을 벤트시켜 감압시킴으로써 압축기 입구 상태를 증기돔의 외부 영역에서 압축기를 구동하여 압축기 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has an effect that can prevent the compressor damage by driving the compressor in the outer region of the steam dome to the compressor inlet state by venting the system to reduce the pressure when the compressor starts.

또한, 본 발명은 압축기 시동시 이산화탄소를 가열하여 압축기 입구 상태를 기체 상태 또는 초임계 상태로 만들고 압축기를 구동하여 압축기 손상을 방지하고 시스템을 보다 효율적으로 운용할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of heating the carbon dioxide at the start of the compressor to make the compressor inlet state into a gaseous state or a supercritical state, and driving the compressor to prevent compressor damage and to operate the system more efficiently.

도 1은 일반적인 초임계 이산화탄소 브레이터 사이클과 수정된 본 발명의 실시예에 의한 이산화탄소 발전 사이클을 도시한 T-S 선도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전시스템을 보인 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 압축기 시동 순서를 도시한 T-S 선도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법을 설명하기 위한 순서도.
1 is a diagram showing a typical supercritical carbon dioxide brater cycle and a modified carbon dioxide power generation cycle according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram showing a supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a TS diagram showing the compressor starting sequence according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a flow chart for explaining the starting method of the supercritical carbon dioxide power generation system according to an embodiment of the present invention.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

설명의 편의를 위해 도 2를 참고하여 초임계 이산화탄소 발전시스템의 구성 예를 먼저 설명하기로 한다.For convenience of description, a configuration example of a supercritical carbon dioxide power generation system will be described first with reference to FIG. 2.

도 2에 도시된 바에 의하면, 본 발명의 초임계 이산화탄소 발전시스템(100)은 순환배관으로 연결된 압축기(110), 복열기(120), 제1 가열기(130), 터빈(140) 및 냉각기(150)를 포함한다. 순환배관은 이산화탄소 발전 사이클을 형성하기 위해 이산화탄소가 순환하는 폐루프를 구성하는 배관이다. 2, the supercritical carbon dioxide power generation system 100 of the present invention includes a compressor 110, a recuperator 120, a first heater 130, a turbine 140, and a cooler 150 connected by circulation pipes. ). The circulation pipe is a pipe that constitutes a closed loop through which carbon dioxide circulates to form a carbon dioxide power generation cycle.

초임계 이산화탄소 발전 사이클은 효율 향상을 위해 도 1의 T-S 선도에서 1'-2'-3-4-5-6-1'과정을 반복하는 수정된 브레이턴 사이클을 적용한다.The supercritical carbon dioxide power generation cycle applies a modified Brayton cycle that repeats the 1'-2'-3-4-5-6-1' process in the T-S diagram of FIG. 1 to improve efficiency.

구체적으로, 도 2의 압축기(110)에서 압축(1'→2')이 수행되고, 복열기(120)와 제1 가열기(130)를 거치면서 가열(2'→3→4)이 수행되고, 터빈(140)에서 팽창(4→5)의 과정이 수행되고, 복열기(120)와 냉각기(150)를 거치면서 냉각(5→6→1')이 수행되는 과정을 반복하면서 터빈(140)을 구동한다. 즉, 압축기(110)에서 임계조건 이상의 압력으로 압축된 이산화탄소를 고온으로 가열하여 터빈(140)을 구동하는 것이다. Specifically, compression (1'→2') is performed in the compressor 110 of FIG. 2, and heating (2'→3→4) is performed while passing through the recuperator 120 and the first heater 130. , Turbine 140 while the process of expansion (4→5) is performed, cooling (5→6→1') is performed while passing through the recuperator 120 and the cooler 150, and the turbine 140 ). That is, the compressor 140 is heated at a high temperature by compressing carbon dioxide compressed under a critical condition or higher to drive the turbine 140.

이러한 초임계 이산화탄소 발전시스템은 높은 효율과 작은 크기 등으로 차세대 발전 방식으로 각광받고 있다. 특히, 가용할 수 있는 열원의 온도 범위가 원자력발전 등의 고온부터 엔진 배기가스와 같은 저온까지 넓기 때문에 광범위한 활용이 가능하다. 다만, 저온에서는 상대적으로 발전 효율이 낮아질 수 밖에 없으므로 사이클의 최저온도를 가능한 낮추어 액체를 펌프로 가압하는 방식을 택함으로써 효율을 높이는 방식을 선호한다. 그런데, 이 경우 냉각기의 냉매 온도가 매우 중요하다. 특히, 공랭식 냉각기를 사용하는 경우 공기 온도가 높으면 이산화탄소가 임계온도를 초과하게 되어 펌프 입구에서 액체 이산화탄소는 초임계 이산화탄소로 바뀌게 된다. 펌프 입구에서 유체가 액체상을 유지하지 못하면 펌프의 효율이 급격히 저하된다. 수냉식 냉각기를 사용하는 경우 냉매 온도를 낮추기 위한 냉각시스템이 별도로 구비되어야만 이러한 현상을 피할 수 있다.This supercritical carbon dioxide power generation system is in the spotlight as a next generation power generation method with high efficiency and small size. In particular, a wide range of applications are possible because the temperature range of available heat sources is wide from high temperatures such as nuclear power generation to low temperatures such as engine exhaust gas. However, since the power generation efficiency is relatively low at a low temperature, a method of increasing efficiency by selecting a method of pressurizing the liquid with a pump by lowering the minimum temperature of the cycle as much as possible is preferred. However, in this case, the coolant temperature of the cooler is very important. In particular, when the air-cooled cooler is used, when the air temperature is high, the carbon dioxide exceeds the critical temperature, so that the liquid carbon dioxide at the pump inlet is converted to supercritical carbon dioxide. If the fluid cannot maintain the liquid phase at the pump inlet, the efficiency of the pump will drop sharply. In the case of using a water-cooled cooler, a cooling system for lowering the coolant temperature must be provided separately to avoid this phenomenon.

따라서, 본 발명은 펌프 대신 압축기(110)를 사용하여 이산화탄소를 압축한다. Therefore, the present invention compresses carbon dioxide using a compressor 110 instead of a pump.

펌프 대신 압축기(110)를 사용하여 액체 이산화탄소를 압축하되, 운전점이 증기돔 아래로 지나지 않도록 압축기 입구 온도(운전점 1)를 임계점 이하(운전점 1')로 낮추어 액체상으로 만듦으로써 사이클의 효율을 높인다. 본 사이클은 여전히 증기돔(Saturation dome) 상단에 위치하기 때문에 액체 이산화탄소를 압축함에도 불구하고 랜킨 사이클(Rankine Cycle)과는 차이가 있다. Compress the liquid carbon dioxide using the compressor 110 instead of the pump, but reduce the compressor inlet temperature (operating point 1) below the critical point (operating point 1') to make it a liquid phase so that the operating point does not pass under the steam dome. Increase. Since this cycle is still located on top of the saturation dome, it is different from the Rankine Cycle despite compressing liquid carbon dioxide.

도 1의 T-S 선도에서 운전점 1'의 액체 이산화탄소는 도 2의 압축기(110)에 의해 압축되어 2'의 초임계 상태가 되며, 복열기(120)에서 가열 후 3의 상태가 된다. 그리고 제1 가열기(130)에서 4의 상태로 최종 가열된 후 터빈(140)에서 5의 상태로 팽창하여 동력을 만들어 낸다. 그 후 복열기(120)에서 냉각되어 6의 상태를 거친 후 냉각기에서 냉각되어 초기 상태인 1'의 액체 이산화탄소가 된다. In the T-S diagram of FIG. 1, the liquid carbon dioxide at the operating point 1'is compressed by the compressor 110 of FIG. 2 to become a supercritical state of 2', and after heating in the recuperator 120, it becomes a state of 3. And after the final heating in the state of 4 in the first heater 130, the turbine 140 expands to the state of 5 to generate power. After that, it is cooled in the recuperator 120, passed through a state of 6, and then cooled in a cooler to become 1'liquid carbon dioxide in an initial state.

압축기(110)는 액체 이산화탄소를 압축하고, 복열기(120)는 압축기에서 압축된 초임계 상태의 이산화탄소를 열교환을 통해 가열하며, 제1 가열기(130)는 복열기(120)에서 1차 가열된 이산화탄소를 최종 가열하여 고온고압의 상태로 만들며, 터빈(140)은 제1 가열기(130)에서 최종 가열된 고온고압 상태의 이산화탄소를 팽창시켜 동력을 생산한다. 복열기(120)는 터빈(140)을 지난 이산화탄소와 압축기(110)를 지난 이산화탄소를 열교환하여, 압축기(110)를 지난 이산화탄소는 예열하고 터빈(140)을 지난 이산화탄소는 냉각시킨다. 냉각기(150)는 복열기(120)를 거쳐 유입되는 이산화탄소를 냉각하여 초기 상태인 액체 이산화탄소로 만든다.The compressor 110 compresses liquid carbon dioxide, the recuperator 120 heats the compressed supercritical carbon dioxide in the compressor through heat exchange, and the first heater 130 is primarily heated in the recuperator 120 The carbon dioxide is finally heated to make it in a high temperature and high pressure state, and the turbine 140 expands carbon dioxide in the high temperature and high pressure state heated by the first heater 130 to produce power. The recuperator 120 heat exchanges carbon dioxide past the turbine 140 and carbon dioxide past the compressor 110, thereby preheating the carbon dioxide past the compressor 110 and cooling the carbon dioxide past the turbine 140. The cooler 150 cools the carbon dioxide introduced through the recuperator 120 to make liquid carbon dioxide in an initial state.

초임계 이산화탄소 시스템(100)은 압축기(110)의 이산화탄소를 냉각기(150)로 재순환을 제어하는 제1 밸브(180)와 압축기(110)의 이산화탄소를 복열기(120)로 공급을 제어하는 제2 밸브(190)를 포함한다. 제1 밸브(180)와 제2 밸브(190)는 압축기 입구 상태에 따라 개폐가 제어되어 압축기 입구 압력을 제어한다. The supercritical carbon dioxide system 100 includes a first valve 180 that controls recirculation of the carbon dioxide from the compressor 110 to the cooler 150 and a second valve that controls the supply of the carbon dioxide from the compressor 110 to the recuperator 120. It includes a valve 190. The first valve 180 and the second valve 190 are controlled to open and close according to the compressor inlet state to control the compressor inlet pressure.

냉각기(150)를 통과한 이산화탄소를 압축기로 공급하기 전, 이산화탄소를 가열하는 제2 가열기(170)와, 냉각기(150)에서 배출된 이산화탄소를 압축기(110)로의 유입 또는 제2 가열기(170)로의 유입을 제어하기 위한 체크밸브(160)를 포함한다.Before supplying the carbon dioxide that has passed through the cooler 150 to the compressor, the second heater 170 heating the carbon dioxide and the carbon dioxide discharged from the cooler 150 into the compressor 110 or into the second heater 170. It includes a check valve 160 for controlling the inflow.

압축기(110)의 이산화탄소를 벤트(배출)시켜 감압시키기 위한 벤트부(210)를 포함한다. 벤트부(210)는 제1 밸브(180)가 고장시 압축기(110)의 출구 압력을 감압시키는 역할과 감압을 통한 설비 보호 역할과 원하지 않는 압력 증가를 방지할 목적으로 활용된다. It includes a vent 210 for venting (discharging) carbon dioxide from the compressor 110 to reduce pressure. The vent portion 210 is used for the purpose of preventing the increase in pressure and the role of protecting the equipment through decompression and the role of decompressing the outlet pressure of the compressor 110 when the first valve 180 fails.

벤트부(210)에서 벤트시킨 이산화탄소가 저장되거나 순환배관에 이산화탄소를 주입하기 위한 이산화탄소가 저장되는 인벤토리 탱크(Inventory Tank)(230)를 포함한다. 인벤토리 탱크(230)는 배출배관과 주입배관을 순환배관에 연결하여 순환배관의 이산화탄소를 배출하거나 순환배관에 이산화탄소를 주입할 수 있도록 한다.It includes an inventory tank (230) in which the carbon dioxide vented by the vent unit 210 is stored or carbon dioxide for injecting carbon dioxide into the circulation pipe is stored. The inventory tank 230 connects the discharge pipe and the injection pipe to the circulation pipe to discharge carbon dioxide from the circulation pipe or to inject carbon dioxide into the circulation pipe.

인벤토리 탱크(230)와 연결된 펌프(220)를 사용하여 이산화탄소를 순환배관에 주입할 수도 있고, 탱크로리를 포함한 고압의 용기로부터 압력 차에 의해 순환배관에 이산화탄소를 주입할 수도 있다. Carbon dioxide may be injected into the circulation pipe using the pump 220 connected to the inventory tank 230, or carbon dioxide may be injected into the circulation pipe by a pressure difference from a high pressure vessel including a tank lorry.

도 2은 본 발명의 이산화탄소 발전 사이클을 설명하기 위한 구성도일 뿐 본 발명이 이러한 구성에만 한정되는 것을 아님을 밝혀둔다. 2 is a schematic view for explaining the carbon dioxide power generation cycle of the present invention, reveals that the present invention is not limited to this configuration.

본 발명의 이산화탄소 발전 사이클은 액체상에서 초임계상으로 상변화가 일어나지만 밀도 변화가 크지 않으므로 안정적인 압축기 운전이 가능하다. In the carbon dioxide power generation cycle of the present invention, a phase change occurs from a liquid phase to a supercritical phase, but since the density change is not large, stable compressor operation is possible.

펌프를 적용한 이산화탄소 발전시스템에서 펌프 입구 조건을 액체상으로 만들기 위해서 공랭식 또는 수냉식 냉각기를 모두 사용할 수 있듯이, 압축기를 적용한 이산화탄소 발전시스템도 냉각(6→1') 과정에서 이산화탄소 응축을 위해 공랭식 또는 수냉식 냉각기를 모두 사용할 수 있다. 그런데, 펌프를 적용한 이산화탄소 발전시스템과의 중요한 차이점은 압축기를 적용한 이산화탄소 발전시스템의 경우, 냉매의 온도가 충분히 낮지 않을 경우에는 사이클의 최저 온도를 충분히 높여서 운전점을 (1-2-3-4-5-6-1)로 변경함으로써 새로운 운전점에서도 원활하게 운전할 수 있는 점이다. 이와 같이, 압축기 입구 조건을 초임계상태로 만드는 경우, 펌프 사용시에는 효율저하, 수명단축 등의 여러 가지 문제가 발생할 수 있지만, 압축기를 이용하면 이와 같은 문제는 발생하지 않는다.Just as both air-cooled or water-cooled coolers can be used to make the pump inlet condition in the liquid phase in the pumped carbon dioxide power system, the air-cooled or water-cooled coolers for condensing carbon dioxide in the cooling (6→1') process are also used. All can be used. However, an important difference from a carbon dioxide power system using a pump is that in the case of a carbon dioxide power system using a compressor, if the temperature of the refrigerant is not sufficiently low, the minimum temperature of the cycle is sufficiently increased to increase the operating point (1-2-3-4- By changing to 5-6-1), it is possible to operate smoothly even at a new driving point. As described above, when the inlet condition of the compressor is set to a supercritical state, various problems such as efficiency reduction and shortening of life may occur when using the pump, but such a problem does not occur when the compressor is used.

압축기(110)에서 액체상과 초임계상이 공존하는 것은 문제가 되지 않으며, 기체상과 초임계상이 공존하는 것 역시 문제가 되지 않는다. 그러나 압축기(110)에서 기체상과 액체상이 공존하는 것은 문제가 된다. 압축기의 운전점이 증기돔 안으로 진입하여 기체상과 액체상이 공존하게 되면 압축기가 손상을 입을 수 있다.It does not matter that the liquid phase and the supercritical phase coexist in the compressor 110, and it does not matter that the gas phase and the supercritical phase coexist. However, it is a problem that the gas phase and the liquid phase coexist in the compressor 110. If the operating point of the compressor enters the steam dome and the gas phase and liquid phase coexist, the compressor may be damaged.

정상적인 운전 상황에서는 압축기에 기체상과 액체상이 공존할 가능성이 낮지만, 압축기 시동시에는 이산화탄소 발전시스템의 온도와 압력이 낮으므로 도 3의 상태(0)와 같이 압축기 입구가 증기돔 내부의 상태로 평형을 이루고 있을 가능성이 높다. 이 경우 이산화탄소를 바로 압축하는 경우 압축기 손상의 가능성이 있다. Under normal operating conditions, it is unlikely that the gas phase and the liquid phase will coexist in the compressor, but when the compressor starts, the temperature and pressure of the carbon dioxide power generation system are low. It is likely to be in equilibrium. In this case, if the carbon dioxide is compressed immediately, there is a possibility of compressor damage.

따라서 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하여 압축기 손상을 방지하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법이 제시된다. Therefore, a method of starting a supercritical carbon dioxide power generation system is proposed to prevent compressor damage by preventing the compressor inlet from entering the steam dome.

압축기 손상을 방지하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 시스템이 정지된 상태에서 압축기 입구 상태가 기체 상태인지를 우선 판단한다. As shown in FIG. 4, a method of starting a supercritical carbon dioxide power generation system that prevents compressor damage, first determines whether a compressor inlet state is a gas state when the system is stopped.

압축기 시동 전 판단 결과, 압축기 입구 상태가 기체 상태이면 압축기(110)를 구동하는 1 단계를 수행한다. 압축기 입구 상태가 기체 상태이면 기체상과 액체상이 공존하지 않음을 의미하므로 압축기를 구동한다.As a result of the determination before starting the compressor, if the compressor inlet state is a gas state, step 1 of driving the compressor 110 is performed. When the compressor inlet state is a gas state, it means that the gas phase and the liquid phase do not coexist, so the compressor is driven.

1 단계는 압축기(110)의 이산화탄소를 복열기(120)로 공급하기 위한 제2 밸브(190)는 닫고, 압축기(110)의 이산화탄소를 냉각기(150)로 재순환시키기 위한 제1 밸브(180)를 개방한 상태에서 압축기(110)의 운전을 시작한다.In the first step, the second valve 190 for supplying carbon dioxide from the compressor 110 to the recuperator 120 is closed, and the first valve 180 for recirculating carbon dioxide from the compressor 110 to the cooler 150 is provided. In the open state, the operation of the compressor 110 is started.

압축기(110)가 운전을 시작하여 구동되면 압축기 출구 온도와 출구 압력이 증가한다. 압축기(110)의 운전 시작 전 제2 밸브(190)를 닫고 제1 밸브(180)를 개방하는데, 이때 제1 밸브(180)에서 충분한 감압이 이루어질 수 있도록 설계되어 압축기 입구 압력이 제어될 수 있다. When the compressor 110 starts and operates, the compressor outlet temperature and the outlet pressure increase. Before the start of the operation of the compressor 110, the second valve 190 is closed and the first valve 180 is opened. At this time, the inlet pressure of the compressor can be controlled by being designed so that sufficient decompression can be achieved at the first valve 180. .

압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)가 되도록 냉각기(150)를 제어한다. 냉각기(150)에서는 압축기 입구 온도가 임계온도 이상으로 유지되도록 제어하면서 압축기 입구 상태가 기체 상태(2)를 거쳐 초임계 상태(3)가 되도록 한다.The cooler 150 is controlled such that the compressor inlet state is from the gas state 2 to the supercritical state 3. The cooler 150 controls the compressor inlet temperature to be maintained above the critical temperature, so that the compressor inlet state passes through the gas state 2 to become the supercritical state 3.

초임계 상태(3)의 압력은 이산화탄소의 임계 압력(7.3733MPa)보다 높은 상태로 운전되어야 한다. 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면, 제2 밸브(190)를 서서히 개방하고 제1 밸브(180)는 서서히 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어한다. The pressure in the supercritical state 3 should be operated at a state higher than the critical pressure of carbon dioxide (7.3733 MPa). When the compressor inlet state reaches the supercritical state (3), the second valve 190 is slowly opened, and the first valve 180 is gradually closed while venting or injecting carbon dioxide to inject the compressor into a supercritical state (3 ) To control the gas state (4).

압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 압축기(110)에서 배출되는 이산화탄소를 복열기(120)와 제1 가열기(130)를 통해 가열하고 터빈(140)에 공급하여 터빈(140)이 전력을 생산하도록 한다. 제2 밸브(190)가 충분히 개방되고 열원이 완전히 인가되며 압축기 입구 온도와 압력이 정상상태에 도달하면 시동 프로세스가 완료된다. In the process of the compressor inlet state from the supercritical state (3) to the gaseous state (4), the carbon dioxide discharged from the compressor 110 is heated through the recuperator 120 and the first heater 130 and the turbine 140 Supply to allow the turbine 140 to produce power. When the second valve 190 is sufficiently opened, the heat source is completely applied, and the compressor inlet temperature and pressure reach a steady state, the start-up process is completed.

반면, 압축기 시동 전 판단 결과, 압축기 입구 상태가 기체 상태가 아니면 압축기 입구 상태를 도 3의 T-S 선도에서 액체 상태(1)로 만든 후 압축기(110)를 구동하는 2 단계를 수행한다. On the other hand, as a result of determination before starting the compressor, if the compressor inlet state is not in the gas state, the compressor inlet state is made in the liquid state 1 in the T-S diagram of FIG. 3 and then the second step of driving the compressor 110 is performed.

2 단계는 압축기(110)의 이산화탄소를 벤트(Vent)시켜 압축기 입구 상태를 액체 상태(1)로 만든다. 압축기 입구 상태가 기체 상태가 아니면 도 3의 상태 (0)과 같이 압축기 입구가 증기돔 내부의 상태로 평형을 이루고 있을 가능성이 높다. 이 경우, 이산화탄소를 바로 압축하는 경우 압축기(110) 손상의 가능성이 있으므로 시스템을 벤트시켜 감압시킴으로써 도 3의 (1)의 상태로 만든 후 압축기(110) 운전을 시작한다. The second step vents the carbon dioxide of the compressor 110 to make the compressor inlet state into a liquid state (1). If the compressor inlet state is not in a gaseous state, it is highly likely that the compressor inlet is in equilibrium with the state inside the steam dome, as shown in state (0) of FIG. 3. In this case, when the carbon dioxide is directly compressed, since there is a possibility of damage to the compressor 110, the system is vented and depressurized to make the state of FIG. 3 (1), and then the compressor 110 starts to operate.

벤트시킨 이산화탄소는 도 2에 도시된 인벤토리 탱크(230) 또는 이에 준하는 저장장치에 저장하였다가 재사용할 수도 있고, 대기 또는 기타 안전 영역으로 배출하여 폐기할 수도 있다.The vented carbon dioxide may be stored in the inventory tank 230 shown in FIG. 2 or a storage device equivalent thereto and reused, or discharged to the atmosphere or other safe areas for disposal.

압축기 입구 상태가 액체 상태(1)에서, 압축기(110)의 이산화탄소를 복열기(120)로 공급하기 위한 제2 밸브(190)는 닫고, 압축기(110)의 이산화탄소를 냉각기(150)로 재순환시키기 위한 제1 밸브(180)를 개방하고, 압축기(110)를 구동한다. When the compressor inlet state is liquid (1), the second valve 190 for supplying the carbon dioxide of the compressor 110 to the recuperator 120 is closed, and the carbon dioxide of the compressor 110 is recirculated to the cooler 150 The first valve 180 for opening is opened, and the compressor 110 is driven.

압축기(110)가 구동되기 시작하면 압축기 출구 온도와 출구 압력이 증가한다. 압축기(110)가 구동되면 제2 밸브(190)를 닫고 제1 밸브(180)를 개방하는데, 제1 밸브(180)에서 충분한 감압이 이루어질 수 있도록 설계되어 압축기 입구 압력이 제어될 수 있다. When the compressor 110 starts to operate, the compressor outlet temperature and outlet pressure increase. When the compressor 110 is driven, the second valve 190 is closed and the first valve 180 is opened. The inlet pressure of the compressor can be controlled by being designed so that sufficient decompression can be achieved at the first valve 180.

압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)로 되도록 냉각기(150)를 제어하고 이산화탄소를 시스템에 주입한다. 여기서, 시스템은 순환배관으로 이산화탄소를 주입하는 것이다. 압축기의 시동 시 이산화탄소의 벤트가 필요할 경우, 이산화탄소를 시스템에 주입하는 것이다.The cooler 150 is controlled to inject carbon dioxide into the system so that the compressor inlet state is from the gas state 2 to the supercritical state 3. Here, the system is to inject carbon dioxide into the circulation pipe. If a vent of carbon dioxide is needed when the compressor is started, carbon dioxide is injected into the system.

초임계 상태(3)의 압력은 이산화탄소의 임계 압력(7.3733MPa)보다 높을수록 운전이 용이하다. 이산화탄소는 냉각기(150)와 복열기(120) 사이에 위치한 순환배관으로 주입한다.The higher the pressure of the supercritical state 3 is, the higher the critical pressure of carbon dioxide (7.3733 MPa) is. Carbon dioxide is injected into the circulation pipe located between the cooler 150 and the recuperator 120.

압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면, 제2 밸브(190)를 서서히 개방하고 제1 밸브(180)는 서서히 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 최종적으로 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어한다. When the compressor inlet state reaches the supercritical state (3), the second valve 190 is slowly opened, and the first valve 180 is gradually closed while venting or injecting carbon dioxide to finally bring the compressor inlet state to a supercritical state. In (3), it is controlled to become the gas state (4).

압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 압축기(110)에서 배출되는 이산화탄소를 복열기(120)와 제1 가열기(130)를 통해 가열하고 터빈(140)에 공급하여 터빈(140)이 전력을 생산하도록 한다. 제2 밸브(190)가 충분히 개방되고 제1 가열기(130)의 열원이 인가되고 터빈(140)이 전력을 생산하고 압축기 입구 온도와 압력이 정상상태에 도달하면 시동 프로세스가 완료된다. In the process of the compressor inlet state from the supercritical state (3) to the gaseous state (4), the carbon dioxide discharged from the compressor 110 is heated through the recuperator 120 and the first heater 130 and the turbine 140 Supply to allow the turbine 140 to produce power. When the second valve 190 is sufficiently open, the heat source of the first heater 130 is applied, the turbine 140 produces power and the compressor inlet temperature and pressure reach a steady state, the start-up process is completed.

여기서, 열원 인가는 도 1의 3에서 4로 가기 전 제1 가열기(130)가 루프에 열을 공급하기 시작한다는 의미이다. 루프에 열이 공급되면 터빈(140)이 출력을 내기 시작하여, 압축기(110)에 소요되는 일이 점점 들어 0이 되고 나면 이후에 전력을 생산하게 된다. 도 1의 3에서 압축기 입구 온도는 냉각기(150)에 의해 제어되고 있는 상태이므로 제1 가열기(130)에 열원을 인가하는 것에서 압축기 입구 온도가 상승하지는 않는다. 제1 가열기(130)의 열원 인가에 의해 3에서 4의 상태로 변화되도록 제어되면 냉각기(150)는 냉각량을 증가시켜 압축기 입구 온도가 하강하게 된다.Here, the application of the heat source means that the first heater 130 starts supplying heat to the loop before going from 3 to 4 in FIG. 1. When heat is supplied to the loop, the turbine 140 starts to output, and after the work required for the compressor 110 gradually increases to 0, power is subsequently generated. Since the compressor inlet temperature in FIG. 1 is controlled by the cooler 150, the compressor inlet temperature does not increase in applying a heat source to the first heater 130. When it is controlled to change from 3 to 4 by the application of the heat source of the first heater 130, the cooler 150 increases the amount of cooling so that the compressor inlet temperature decreases.

한편, 압축기 시동시 또는 냉각기(150)를 통과한 이산화탄소를 압축기(110)로 공급하기 전 제2 가열기(170)에서 이산화탄소를 가열하여 압축기 입구 상태가 기체 상태(2) 또는 초임계 상태(3)가 되도록 할 수 있다. On the other hand, when starting the compressor or before supplying the carbon dioxide that has passed through the cooler 150 to the compressor 110, the carbon dioxide is heated in the second heater 170 so that the inlet state of the compressor is a gas state (2) or a supercritical state (3). Can be.

이 경우, 냉각기(150)에서 배출된 이산화탄소가 압축기(110)로 바로 유입되는 것을 체크밸브(160)가 차단하여, 압축기 시동시 또는 냉각기(150)에서 배출된 이산화탄소가 제2 가열기(170)를 거쳐 압축기(110)로 유입되도록 할 수 있다.In this case, the check valve 160 blocks that the carbon dioxide discharged from the cooler 150 flows directly into the compressor 110, so that the carbon dioxide discharged from the cooler 150 or when the compressor starts is blocked by the second heater 170. After that, it can be introduced into the compressor 110.

예를 들어, 압축기의 시동 시, 이산화탄소를 가열시킴으로써 압축기 입구 상태가 도 3의 (0)상태로 부터 액체 상태(1)를 생략하고 기체 상태(2) 또는 초임계 상태(3)로 바로 가는 것이 가능하다. 이 경우 압축기의 시동 시 이산화탄소를 벤트시키지 않으므로 추가로 이산화탄소를 주입할 필요가 없다. 제2 가열기의 종류는 특정 타입으로 제한하지 않으며 복수의 가열기(Aux. Heater)를 사용할 수도 있고 특정 위치에 제한되지도 않는다.For example, when starting the compressor, by heating carbon dioxide, the compressor inlet state omits the liquid state (1) from the state (0) of FIG. 3 and goes directly to the gas state (2) or supercritical state (3). It is possible. In this case, since carbon dioxide is not vented when the compressor is started, it is not necessary to inject additional carbon dioxide. The type of the second heater is not limited to a specific type, and a plurality of heaters (Aux. Heaters) may be used and is not limited to a specific location.

상술한 압축기 손상을 방지하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법은 압축기가 정지된 상태에서 압축기 시동시 적용되며, 압축기가 시동되고 도 1의 압축(1'→2'), 가열(2'→3→4), 팽창(4→5), 냉각(5→6→1')의 과정이 1회 수행된 후의 정상적인 운전 상황에서는 기존의 일반 옵션이 적용될 수 있다.The above-described starting method of the supercritical carbon dioxide power generation system to prevent damage to the compressor is applied when the compressor is started while the compressor is stopped, the compressor is started, and compression (1'→2') and heating (2'→3 of FIG. 1) are performed. →4), expansion (4→5), cooling (5→6→1') After the process is performed once, the existing general options may be applied in a normal operation situation.

상술한 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 그 시동 방법은 압축기를 사용하여 공냉식 냉각기 또는 수냉식 냉각기를 모두 사용할 수 있으며, 운전점이 증기돔 아래로 지나지 않도록 압축기 입구 운전점을 임계점 이하 1'로 낮추어 액상으로 만듦으로써 이산화탄소 발전 사이클을 T-S 선도에서 1'-2'-3-4-5-6-1'가 반복되도록 운전하여 사이클의 효율을 높일 수 있다.The above-described supercritical carbon dioxide power generation system and its starting method can use both air-cooled or water-cooled coolers using a compressor, and lower the compressor inlet operating point to 1'below the critical point so that the operating point does not pass under the steam dome to make it liquid. The efficiency of the cycle can be increased by operating the carbon dioxide power generation cycle such that 1'-2'-3-4-5-6-1' is repeated in the TS diagram.

또한, 압축기 시동시에는 시스템을 벤트시켜 감압시킴으로써 압축기 입구 상태를 액체 상태로 만들고 압축기를 구동하여 압축기 손상을 방지할 수 있다. In addition, when the compressor is started, the system may be vented and depressurized to make the compressor inlet state into a liquid state and drive the compressor to prevent compressor damage.

또한, 압축기 시동시 이산화탄소를 가열하여 압축기 입구 상태를 기체 상태 또는 초임계 상태로 만들고 압축기를 구동하여 압축기 손상을 방지할 수 있다. In addition, when the compressor is started, carbon dioxide is heated to make the compressor inlet state into a gaseous state or a supercritical state, and the compressor is driven to prevent damage to the compressor.

상술한, 방법은 압축기 시동시 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하여 압축기 손상을 방지하면서도 이산화탄소 발전 사이클의 효율을 높인다.The above-described method prevents the compressor inlet operating point from entering the steam dome when the compressor starts, thereby increasing the efficiency of the carbon dioxide power generation cycle while preventing compressor damage.

상술한 바와 같이, 초임계 이산화탄소 발전시스템은 도 1의 압축(1'→2'), 가열(2'→3→4), 팽창(4→5), 냉각(5→6→1') 과정을 반복하도록 구성하여 사이클의 효율을 높일 수 있다. 그러나 냉매의 온도가 충분히 낮지 않을 경우에는 사이클의 최저 온도를 충분히 높여서 운전점을 도 1의 압축(1→2), 가열(2→3→4), 팽창(4→5), 냉각(5→6→1')로 변경할 수도 있다.As described above, the supercritical carbon dioxide power generation system is compressed (1'→2'), heated (2'→3→4), expanded (4→5), and cooled (5→6→1') in FIG. It can be configured to repeat to increase the efficiency of the cycle. However, if the temperature of the refrigerant is not sufficiently low, the minimum temperature of the cycle is sufficiently increased to compress the operating point in FIG. 1 (1→2), heating (2→3→4), expansion (4→5), cooling (5→). 6→1').

본 발명은 도면과 명세서에 최적의 실시예들이 개시되었다. 여기서, 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 발명은 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 권리범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with the best embodiments in the drawings and specifications. Here, although specific terms have been used, they are used for the purpose of describing the present invention only, and are not used to limit the scope of the present invention described in the meaning limitation or the claims. Therefore, the present invention will be understood by those skilled in the art that various modifications and other equivalent embodiments are possible. Therefore, the true technical scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.

100: 초임계 이산화탄소 발전시스템
110: 압축기 120: 복열기
130: 제1 가열기 140: 터빈
150: 냉각기 160: 체크밸브
170: 제2 가열기 180: 제1 밸브
190: 제2 밸브 210: 벤트부
220: 펌프 230: 인벤토리 탱크
100: supercritical carbon dioxide power generation system
110: compressor 120: recuperator
130: first heater 140: turbine
150: cooler 160: check valve
170: second heater 180: first valve
190: second valve 210: vent portion
220: pump 230: inventory tank

Claims (13)

이산화탄소가 순환하는 순환배관;
상기 순환배관을 순환하는 T-S 선도의 운전점 1'의 액체 이산화탄소를 압축하여 초임계 상태(2')가 되게 하는 압축기;
상기 압축기에서 압축된 이산화탄소를 열교환을 통해 가열하는 복열기;
상기 복열기에서 가열된 이산화탄소를 가열하는 제1 가열기;
상기 제1 가열기에서 가열된 이산화탄소가 유입되고 팽창하여 동력을 생산하는 터빈; 및
상기 터빈에서 배출되고 상기 복열기를 거쳐 유입되는 이산화탄소를 냉각하여 상기 1'의 액체 이산화탄소가 되게 하는 냉각기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
A circulation pipe through which carbon dioxide circulates;
A compressor that compresses liquid carbon dioxide at the operating point 1'of the TS diagram circulating through the circulation pipe to become a supercritical state (2');
A recuperator for heating the carbon dioxide compressed in the compressor through heat exchange;
A first heater for heating carbon dioxide heated in the recuperator;
A turbine for generating power by introducing and expanding carbon dioxide heated in the first heater; And
A cooler that cools the carbon dioxide discharged from the turbine and flows through the recuperator to become the 1'liquid carbon dioxide;
Supercritical carbon dioxide power generation system comprising a.
청구항 1에 있어서,
상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로의 재순환을 제어하기 위한 제1 밸브; 및
상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로의 공급을 제어하기 위한 제2 밸브;
를 포함하며,
상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브는 상기 압축기 입구 상태에 따라 개방이 제어되어 상기 압축기 입구 압력을 제어하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
The method according to claim 1,
A first valve for controlling recirculation of carbon dioxide from the compressor to the cooler; And
A second valve for controlling the supply of carbon dioxide from the compressor to the recuperator;
It includes,
The first valve and the second valve is supercritical carbon dioxide power generation system, characterized in that the opening is controlled according to the compressor inlet state to control the compressor inlet pressure.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각기를 통과한 이산화탄소를 상기 압축기로 공급하기 전,
상기 이산화탄소를 가열하는 제2 가열기; 및
상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소를 상기 압축기로의 유입 또는 상기 제2 가열기로의 유입을 제어하기 위한 체크밸브;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
The method according to claim 1,
Before supplying the carbon dioxide that has passed through the cooler to the compressor,
A second heater for heating the carbon dioxide; And
A check valve for controlling inflow of carbon dioxide discharged from the cooler into the compressor or inflow into the second heater;
Supercritical carbon dioxide power generation system comprising a.
청구항 1에 있어서,
상기 압축기의 이산화탄소를 벤트시켜 감압시키기 위한 벤트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
The method according to claim 1,
Supercritical carbon dioxide power generation system comprising a vent portion for reducing the pressure by venting the carbon dioxide of the compressor.
청구항 4에 있어서,
상기 벤트부에서 벤트시킨 이산화탄소가 저장되거나,
순환배관에 이산화탄소를 주입하기 위한 이산화탄소가 저장되는 인벤토리 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템.
The method according to claim 4,
Carbon dioxide vented by the vent portion is stored, or
A supercritical carbon dioxide power generation system comprising an inventory tank in which carbon dioxide is stored for injecting carbon dioxide into the circulation pipe.
압축기, 복열기, 제1 가열기, 터빈, 복열기 및 냉각기를 통과하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각의 과정을 반복하는 이산화탄소 발전시스템에서,
압축기 시동시 상기 압축기 입구 운전점이 증기돔 안으로 진입하는 것을 방지하도록
상기 압축기 입구 상태가 기체 상태인지를 판단하고,
판단 결과, 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태이면 상기 압축기를 구동하는 1 단계를 수행하고,
상기 압축기 입구 상태가 기체 상태가 아니면 상기 압축기 입구 상태를 T-S 선도에서 액체 상태(1)로 만든 후 압축기를 구동하는 2 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
In the carbon dioxide power generation system repeating the process of compression, heating, expansion, and cooling while passing through a compressor, a recuperator, a first heater, a turbine, a recuperator, and a cooler,
When starting the compressor, prevent the compressor inlet from entering the steam dome.
It is determined whether the compressor inlet state is a gas state,
As a result of the determination, if the inlet state of the compressor is a gaseous state, a first step of driving the compressor is performed,
If the compressor inlet state is not in the gaseous state, starting the supercritical carbon dioxide power generation system, characterized in that the step of driving the compressor after making the compressor inlet state into the liquid state (1) in the TS diagram.
청구항 6에 있어서,
상기 1 단계는
상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로 공급하기 위한 제2 밸브는 닫고, 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로 재순환시키기 위한 제1 밸브를 개방한 상태에서 상기 압축기 운전을 시작하며,
상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)가 되도록 상기 냉각기를 제어하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
The method according to claim 6,
Step 1 above
The second valve for supplying the carbon dioxide of the compressor to the recuperator is closed, and the compressor is started while the first valve for recycling carbon dioxide of the compressor to the cooler is opened,
A method of starting a supercritical carbon dioxide power generation system, characterized in that the cooler is controlled such that the compressor inlet state is in a gaseous state (2) to a supercritical state (3).
청구항 7에 있어서,
상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면,
상기 제2 밸브를 개방하고 상기 제1 밸브는 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어하며,
상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 상기 압축기에서 배출되는 이산화탄소를 복열기와 제1 가열기를 통해 가열하고 터빈에 공급하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
The method according to claim 7,
When the compressor inlet state reaches the supercritical state (3),
The second valve is opened and the first valve is closed to vent or inject carbon dioxide to control the compressor inlet state from a supercritical state (3) to a gaseous state (4),
Supercritical carbon dioxide power generation, characterized in that carbon dioxide discharged from the compressor is heated through a recuperator and a first heater and supplied to a turbine in the process where the compressor inlet state becomes a supercritical state (3) to a gaseous state (4). How to start the system.
청구항 6에 있어서,
상기 2 단계는
상기 압축기의 이산화탄소를 벤트시켜 상기 압축기 입구 상태를 액체 상태(1)로 만드는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
The method according to claim 6,
Step 2 above
A method of starting a supercritical carbon dioxide power generation system, characterized by venting carbon dioxide of the compressor to make the inlet state of the compressor liquid (1).
청구항 9에 있어서,
상기 2 단계는
상기 압축기 입구 상태가 액체 상태(1)에서,
상기 압축기의 이산화탄소를 상기 복열기로 공급하기 위한 제2 밸브는 닫고, 상기 압축기의 이산화탄소를 상기 냉각기로 재순환시키기 위한 제1 밸브를 개방하고, 상기 압축기 운전을 시작하며,
상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2)에서 초임계 상태(3)로 되도록 상기 냉각기를 제어하고 이산화탄소를 상기 이산화탄소 발전시스템에 주입하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
The method according to claim 9,
Step 2 above
In the compressor inlet state is liquid (1),
The second valve for supplying the carbon dioxide of the compressor to the recuperator is closed, the first valve for recirculating the carbon dioxide of the compressor to the cooler is opened, and the compressor is started,
A method of starting a supercritical carbon dioxide power generation system, characterized in that the cooler is controlled to inject the carbon dioxide into the carbon dioxide power generation system so that the compressor inlet state becomes a supercritical state (3) in a gas state (2).
청구항 10에 있어서,
상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에 도달하면,
상기 제2 밸브를 개방하고 상기 제1 밸브는 닫으면서 이산화탄소를 벤트시키거나 주입하여 상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)가 되도록 제어하며,
상기 압축기 입구 상태가 초임계 상태(3)에서 기체 상태(4)로 되는 과정에서 상기 압축기에서 배출되는 이산화탄소를 복열기와 제1 가열기를 통해 가열하고 터빈에 공급하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
The method according to claim 10,
When the compressor inlet state reaches the supercritical state (3),
The second valve is opened and the first valve is closed to vent or inject carbon dioxide to control the compressor inlet state from a supercritical state (3) to a gaseous state (4),
Supercritical carbon dioxide power generation, characterized in that carbon dioxide discharged from the compressor is heated through a recuperator and a first heater and supplied to a turbine in the process where the compressor inlet state becomes a supercritical state (3) to a gaseous state (4). How to start the system.
압축기, 복열기, 제1 가열기, 터빈, 복열기 및 냉각기를 통과하면서 압축, 가열, 팽창, 냉각의 과정을 반복하는 이산화탄소 발전시스템에서,
상기 압축기 시동시 또는 상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소를 상기 압축기로 공급하기 전 제2 가열기에서 이산화탄소를 가열하여 상기 압축기 입구 상태가 기체 상태(2) 또는 초임계 상태(3)가 되도록 한 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
In the carbon dioxide power generation system repeating the process of compression, heating, expansion, and cooling while passing through a compressor, a recuperator, a first heater, a turbine, a recuperator, and a cooler,
When starting the compressor or before supplying carbon dioxide discharged from the cooler to the compressor, carbon dioxide is heated in a second heater so that the compressor inlet state becomes a gas state (2) or a supercritical state (3). How to start a supercritical carbon dioxide power generation system.
청구항 12에 있어서,
상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소가 상기 압축기로 바로 유입되는 것을 체크밸브가 차단하여, 상기 압축기 시동시 또는 상기 냉각기에서 배출된 이산화탄소가 상기 제2 가열기를 거쳐 상기 압축기로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 초임계 이산화탄소 발전시스템의 시동 방법.
The method according to claim 12,
Supercritical, characterized in that the check valve shuts off the carbon dioxide discharged from the cooler directly into the compressor, so that the carbon dioxide discharged from the cooler or when the compressor starts up is introduced into the compressor through the second heater. How to start the carbon dioxide power generation system.
KR1020190006200A 2019-01-17 2019-01-17 High efficiency carbon dioxide power system and its start-up method KR102172229B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190006200A KR102172229B1 (en) 2019-01-17 2019-01-17 High efficiency carbon dioxide power system and its start-up method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190006200A KR102172229B1 (en) 2019-01-17 2019-01-17 High efficiency carbon dioxide power system and its start-up method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200089463A true KR20200089463A (en) 2020-07-27
KR102172229B1 KR102172229B1 (en) 2020-10-30

Family

ID=71893998

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190006200A KR102172229B1 (en) 2019-01-17 2019-01-17 High efficiency carbon dioxide power system and its start-up method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102172229B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115013101A (en) * 2022-06-23 2022-09-06 西安热工研究院有限公司 Coordination control system of supercritical carbon dioxide generator set
CN115450720A (en) * 2022-09-19 2022-12-09 许子澍 Low-temperature pressurization carbon dioxide supercritical power generation system
CN117073435A (en) * 2023-10-17 2023-11-17 百穰新能源科技(深圳)有限公司 Gas-liquid two-phase energy storage system, control method and control module

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110061384A1 (en) * 2009-09-17 2011-03-17 Echogen Power Systems, Inc. Heat engine and heat to electricity systems and methods with working fluid fill system
KR101816021B1 (en) * 2017-06-09 2018-01-08 한국전력공사 Generating apparatus

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110061384A1 (en) * 2009-09-17 2011-03-17 Echogen Power Systems, Inc. Heat engine and heat to electricity systems and methods with working fluid fill system
KR101816021B1 (en) * 2017-06-09 2018-01-08 한국전력공사 Generating apparatus

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115013101A (en) * 2022-06-23 2022-09-06 西安热工研究院有限公司 Coordination control system of supercritical carbon dioxide generator set
CN115013101B (en) * 2022-06-23 2024-05-14 西安热工研究院有限公司 Coordinated control system of supercritical carbon dioxide generator set
CN115450720A (en) * 2022-09-19 2022-12-09 许子澍 Low-temperature pressurization carbon dioxide supercritical power generation system
CN117073435A (en) * 2023-10-17 2023-11-17 百穰新能源科技(深圳)有限公司 Gas-liquid two-phase energy storage system, control method and control module
CN117073435B (en) * 2023-10-17 2024-02-02 百穰新能源科技(深圳)有限公司 Gas-liquid two-phase energy storage system, control method and control module

Also Published As

Publication number Publication date
KR102172229B1 (en) 2020-10-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9759096B2 (en) Supercritical working fluid circuit with a turbo pump and a start pump in series configuration
KR101896130B1 (en) Driven starter pump and start sequence
US9638065B2 (en) Methods for reducing wear on components of a heat engine system at startup
KR20200089463A (en) High efficiency carbon dioxide power system and its start-up method
US10267184B2 (en) Valve network and method for controlling pressure within a supercritical working fluid circuit in a heat engine system with a turbopump
JP6290909B2 (en) GAS TURBINE ENERGY ASSISTANCE SYSTEM AND HEATING SYSTEM, AND ITS MANUFACTURING METHOD AND USING METHOD
US9863282B2 (en) Automated mass management control
CN106715840B (en) Power generation system and method for generating power
US20160061055A1 (en) Control system for a heat engine system utilizing supercritical working fluid
KR100857982B1 (en) A nuclear power plant and a method of conditioning its power generation circuit
KR102012480B1 (en) Closed supercritical carbon dioxide power cycle system and method of the same
US10400636B2 (en) Supercritical CO2 generation system applying plural heat sources
KR101680963B1 (en) Supercritical CO2 generation system
KR101628611B1 (en) Supercritical CO2 generation system using multistage compressing and expanding of working fluid
KR101628619B1 (en) generation system having temperature control device for heat exchanger
KR20200089462A (en) Carbon dioxide power system connected to engine
US10202874B2 (en) Supercritical CO2 generation system applying plural heat sources
US10202873B2 (en) Supercritical CO2 generation system applying plural heat sources
KR102485204B1 (en) Turbine power generation system
JP2003286864A (en) Fuel gas feeding system of gas turbine and operating method for the system
JP3922876B2 (en) Gas turbine power generation equipment
CN117514394A (en) Supercritical carbon dioxide power system and starting operation control method thereof
KR20190076405A (en) Power generating system for supercritical CO2
JP2019157734A (en) Rankine cycle system and control method of rankine cycle system

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant